多镜头成像拼接方法在经纬仪系统中的应用

　　1　引　言

　　在某些既要获得高分辨率的图像又要获得大测量范围的任务中,对光学系统的要求其实就是在保证长焦距的情况下还要具有大的视场。如果同时考虑CCD器件的制作工艺以及性价比,这些要求并不容易在单个光学镜头中实现,因此常通过CCD拼接来解决。CCD拼接主要有两种途径,一是CCD器件直接拼接,二是通过光学系统分光的方法来实现[1-3]。但无论是哪一种办法实现起来都很困难,既涉及器件本身质量的一致性问题也有制作工艺以及装配难度的问题[4]。近年来,有学者提出的一种多镜头外拼接的方法能够有效地解决这些问题。该方法是通过把多个独立镜头成像所得的多幅图像拼接成一幅图像来获得较大视场范围内的高分辨率图像,从而达到较高的性价比。

　　多镜头成像拼接法在经纬仪中应用受到经纬仪的结构尺寸以及随动跟踪灵活性的限制,因此拼接镜头的数量不宜过多,否则头部转动惯量势必增大,不利于稳定跟踪,一般拼接镜头的数量不宜超过6个,但凝视系统可以根据需要设计任意多个拼接镜头。具体设计镜头的拼接布局需考虑目标分布特点。通常情况下拼接形式包括两种,分别是一维拼接和两维拼接。一维拼接是沿方位或俯仰单方向排列,可以是2个、3个或4个镜头一字排开。两维拼接有两种结构,一是十字或品字拼接,即每个镜头只在单方向上参与拼接;二是每个镜头在方位和俯仰两方向都参与拼接。比如4个镜头按田字形[9]或6个镜头按横3纵2横排列,每个镜头在方位和俯仰两方向都要进行拼接。

　　本文通过建立数学模型详细设计了拼接镜头的视轴间夹角以及空间布局,并根据设计结果确定了经纬仪随动跟踪架的总体结构。最后通过标定复核夹角精度,进行后续图像拼接的数据处理[10]。

　　2　多镜头成像拼接的方法

　　为了更好地说明这种拼接方法,本文针对4个镜头结合U型照准架的十字型两维拼接进行了详细讨论,具体设计如图1所示。

　　与田字形拼接相比,这种十字型两维拼接形式的特点是能够最大化地发挥4个镜头在方位和俯仰两方向增大视场的作用,同时对典型的经纬仪U型照准架相关部件的结构尺寸提出设计要求,使得经纬仪整体布局更协调紧凑。

　　计算中以焦距400 mm为例,要求覆盖的最大空域为6°×3°。现有可选的相机在焦距为400mm时,可达到2°×1.5°的视场。采用多镜头成像拼接的方法可以实现6°×3°的视场要求。多镜头成像拼接按照如下形式进行,如图2所示。四通中心位置安装一套主光学系统,作为拼接基准镜头,其他4个镜头均以此作为基准进行拼接。为了保证4个镜头准确地分担同一物距下各自负责的视场区域并且彼此之间没有盲区和重叠区,要求4个镜头的光轴必须相交于同一点,以保证每个镜头的靶面处于与该物距对应的同一焦面上,即每个镜头的光轴与主系统的光轴相交并有一确定的角度,其中四通上下的两个镜头只在俯仰方向上与主系统有夹角。另外两套轴头镜头系统只在方位方向上与主系统有夹角,这两个角度类似于地球仪上的纬度和经度,相交的一点即为球心,各光学系统的焦面即相当于地球仪的表面。如何得到照准架的准确结构尺寸并且使设计更合理,需要根据镜头的俯仰方位方向的视场角在有限物距时恰好拼接来确定。下面按2 km恰好拼接进行设计计算。多镜头成像拼接原理如图3所示: